基于USB接口的同步視頻輸出系統(tǒng)設計

摘要：介紹了一種實用的基于USB 2.0協(xié)議的同步視頻輸出系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)采用CYPRESS公司的FX2 USB控制器，采用GPIF模式，硬件設計簡化，能依據(jù)PAL制電視標準與主機同步輸出視頻圖像。
關鍵詞：USB2.0協(xié)議 視頻圖像 PAL制 GPIF

    在信息技術(shù)日新月異的今天，人們對視頻圖像傳輸?shù)男枨笤絹碓狡惹?，要求越來越高，而整個圖像傳輸系統(tǒng)的瓶頸在于視頻圖像的信息量很大，而且傳輸?shù)倪^程中容易出現(xiàn)延時、抖動、失真等現(xiàn)象，因此在選擇視頻圖像傳輸?shù)目偩€要求速度高，錯誤率低的特點。目前視頻圖像實時傳輸采用的總線主要有PCI、1394以及USB。三者比較而言，USB 2.0高速傳輸協(xié)議，兼有快速、通用、可靠、省電、熱插拔等優(yōu)點，比傳統(tǒng)基于PCI總線、1394總線的視頻輸出系統(tǒng)，具有更強大的通用性和靈活性。特別是在需要利用筆記本電腦等便攜設備進行視頻輸出的場合

    本文介紹的同步視頻輸出系統(tǒng)，由作為外設的視頻輸出接口卡和主機上的應用軟件兩個部分組成，采用通用串行總線（USB）實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，并依據(jù)PAL制電視標準與主機同步視頻顯示，畫面流暢清晰。

1.視頻輸出接口卡硬件結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 視頻輸出接口卡的硬件結(jié)構(gòu)
    視頻輸出接口卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由內(nèi)置MCU的USB接口芯片、圖像存儲SRAM、以及D/A圖像輸出三個部分。各部分的主要功能為：USB接口芯片和主機通信，將主機的視頻圖像數(shù)據(jù)按照一定時序通過USB電纜寫入SRAM保存；SRAM芯片負責數(shù)字視頻信號的存儲；D/A圖像輸出部分將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，按照PAL制式進行輸出顯示。

1.2 視頻圖像傳輸和存儲顯示
    本系統(tǒng)視頻圖像數(shù)據(jù)是通過USB電纜傳輸，USB電纜包含4根電線：Vbus，D＋，D－和GND。數(shù)據(jù)以480M高速信號在D＋和D－信號線上差分傳輸，而收發(fā)器在USB接口控制芯片上，不需要外部電路。

    USB接口部分是本系統(tǒng)最為重要的通信部分。USB接口控制芯片采用的是CYPRESS公司的EZ USB FX2系列CY7C68013芯片。它內(nèi)部集成帶8KB片內(nèi)RAM的增強型51系列MCU、16位并行地址總線、8/16數(shù)據(jù)總線、IIC總線、4KB FIFO 存儲器以及通用可編程接口GPIF，串行接口引擎SIE和USB收發(fā)器，是USB 2.0的完整的解決方案。
 
    串行接口引擎智能SIE通過包排序、信號產(chǎn)生/檢測、CRC產(chǎn)生/校驗、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充和包標識產(chǎn)生/解碼來處理USB通信協(xié)議，并保證傳輸?shù)経SB電纜上的數(shù)據(jù)字節(jié)以LSB開頭。它使MCU從繁瑣的USB協(xié)議中脫身，集中注意力放在控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

    FX2內(nèi)部集成的高速MCU為增強型8051，功能較傳統(tǒng)的8051系列單片機強大，但在代碼的編寫上兼容，使用方便，且速度是標準8051的3～5倍，工作頻率可以軟件設置，最高可為48Mhz，還帶有兩個串口，三個計數(shù)/定時器，八級中斷，雙數(shù)據(jù)指針方便數(shù)據(jù)塊搬移。

    外設接口有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFO?？删幊踢壿嫿涌贕PIF是主控方式，可以由軟件設計讀寫控制波形，不通過MCU，就可以實現(xiàn)主動對任何8/16位接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的讀寫。而且讀寫的最高速度可以達到96MB/s，高于USB2.0的傳輸速度。Slave FIFO是從控方式，外部控制器（如DSP 和單片機等）可以像對普通的FIFO一樣對FX2的多重緩沖讀寫，工作方式也可選擇同步或異步，工作時鐘可以選擇輸入和輸出。

    另外，它是基于RAM的“軟”系統(tǒng)解決方案，不需要ROM或者其他的固化存儲器，可以使用片內(nèi)的程序/數(shù)據(jù)RAM。固件可以直接通過USB電纜下載，方便固件的修改和升級。

    靜態(tài)存儲器SRAM采用IDT公司雙口異步靜態(tài)RAM芯片IDT70v09，8位數(shù)據(jù)線，17根地址線，64M容量。

    視頻信號輸出轉(zhuǎn)換的芯片是DAC0800, 將數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，依據(jù)PAL制輸出。PAL制視頻輸出標準為25幀/秒，一幀分奇偶兩場，20ms一場，其中場正程為17ms,逆程為3ms。系統(tǒng)中正是利用場同步信號作為同步標準，使USB設備的圖像傳輸和顯示一致。

1.3 工作原理
    當USB設備第一次插入到USB接口時，F(xiàn)X2通過USB電纜自動枚舉，并下載固件程序和USB描述符表；接下來，F(xiàn)X2二次枚舉，根據(jù)下載的信息定義重新定義USB設備。這兩個步驟稱為再枚舉，設備插入時就立即執(zhí)行而沒有提示。二次枚舉以后主機可以通過控制管道和USB設備通訊，完成USB設備的端點配置等初始化工作，完畢，開始查詢USB設備是否準備好。USB設備端MCU檢測外部中斷INT0（場信號跳變沿），若外部中斷INT0發(fā)生，則轉(zhuǎn)入外部中斷服務子程序，應答主機，說明USB設備已經(jīng)準備好接受數(shù)據(jù)，主機查詢到此應答后，應用程序發(fā)一場圖像數(shù)據(jù)到FX2，單片機檢測到數(shù)據(jù)到達后，啟動GPIF，然后GPIF獨立于MCU將圖像數(shù)據(jù)導入SRAM，一場圖像傳輸完畢，結(jié)束GPIF，退出中斷服務子程序，直到下一輪中斷開始。D/A部分電路在場正程部分讀取SRAM圖像數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出顯示，而在場逆程中禁止讀取SRAM。

2.固件（FIRMWARE）設計
    固件是指固化在USB控制器中MCU的程序，它的主要功能是負責接收與處理主機發(fā)給設備的各種請求，并向主機返回設備的狀態(tài)信息。FX2 系列的固件代碼可以存儲到主機中，設備上電復位以后通過USB電纜手動下載到FX2，這種方法易于升級，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中很方便；固件代碼可以固化到片外存儲器EEPROM或者是ROM，設備上電以后，自動下載固件到片內(nèi)RAM，這兩種方法可以將系統(tǒng)固件做成產(chǎn)品，無須每次手動下載。

    本系統(tǒng)中固件分兩個部分，一個是數(shù)據(jù)通道的控制，一個是主機控制命令的應答。數(shù)據(jù)通道的控制主要是GPIF控制數(shù)據(jù)傳輸管道完成。而控制管道EP0則負責主機和USB設備端的去掉數(shù)據(jù)部分的通信：更改管道和端點配置信息，設置軟件中斷，更改GPIF視頻圖像傳輸?shù)拇笮?，獲取重要寄存器的狀態(tài)等等。
 
    固件的程序框圖如上所示。其中設備請求部分即為控制管道信息，是由單片機負責，而數(shù)據(jù)通道主要是通過GPIF操作，隔離了單片機的參與，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

    固件代碼編寫使用Keil uVision，GPIF編程應用CYPRESS公司的GPIF工具（GPIFTOOL）。GPIF可以控制FX2端點FIFO，也可以產(chǎn)生六個控制輸出端（CTL0～CTL5）和九根地址線輸出，并且可以接收六個外部輸入信號，并對這些信號進行邏輯編程控制，從而控制FX2與外部接口的讀寫時序。實際操作可以利用GPIFTOOL繪制波形描述符，轉(zhuǎn)為C文件，配置各個相關的寄存器，控制SRAM接口讀寫邏輯。
SRAM硬件接口的時序圖如下：
 
    依據(jù)上面的波形圖，我們只需要在S1結(jié)束的時候跳轉(zhuǎn)S0 狀態(tài)即可。將繪制的波形圖應用GPIF TOOL轉(zhuǎn)換為gpif.c文件，加入Project中，連接編譯即可得到固件。

    在固件編程中電源管理部分，由于FX2在首次枚舉電流大約是75mA，F(xiàn)X2設備的識別則至少需要100mA，小于500mA，因此在固件中要加進電源檢測，如果小于100mA，必須向主機申請更大的電流，直到主機正確識別FX2。

3.用戶應用程序和USB設備驅(qū)動程序設計
    USB設備驅(qū)動程序是連接USB外設、操作系統(tǒng)以及用戶應用程序的橋梁，是USB設備連接到計算機系統(tǒng)的軟件接口。

    FX2 系列CYPRESS公司提供了一個通用的USB驅(qū)動程序ezusb.sys，可以實現(xiàn)USB外設和應用程序之間的一般的通信和控制功能,開發(fā)者如果需要實現(xiàn)系統(tǒng)特有的通信和控制功能，必須在此基礎上加以修改，比如，通用USB驅(qū)動程序每一次塊傳輸數(shù)據(jù)大小必須小于64KB，而一般一幅圖像數(shù)據(jù)的大小大于或者等于64KB，如果要求每次傳輸一幅圖像到USB外設，則必須在通用USB驅(qū)動程序上加以改動。

    此外還需要在驅(qū)動程序中添加下載固件部分，在USB外設上電以后，可以自動下載固件到FX2的RAM中，F(xiàn)X2二次枚舉，主機正確識別USB外設。

    用戶的應用程序是操作系統(tǒng)和用戶的接口，它以不同的參數(shù)調(diào)用驅(qū)動程序的函
數(shù)，控制USB外設，實現(xiàn)用戶定義系統(tǒng)的各種功能：讀寫視頻圖像，利用控制管道的用戶定義命令對FX2進行監(jiān)控以及重新下載固件等等。

    應用程序的程序框圖如下：
 
4.結(jié)束語
    針對視頻圖像同步輸出實際需要，本系統(tǒng)采用USB 2.0的高速協(xié)議，CYPRESS公司的FX2 USB 控制器，使USB設備接口硬件簡化，引入視頻顯示部分的場同步信號觸發(fā)數(shù)據(jù)流，視頻圖像的顯示結(jié)果標準平滑。本系統(tǒng)視頻圖像的傳輸速度嚴格依據(jù)PAL制為50場/秒，GPIF的接口速度為24MB/s。此外本系統(tǒng)可擴展性強，方便實用，稍加改動，可以將任何數(shù)據(jù)從主機高速導入外設，目前可以達到最大速度為23MB/s；如果加入視頻采集部分電路，就可成為一個實時采集視頻系統(tǒng)。

參考文獻
1． Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Reference Manual,2002;12
2． Compaq ,HP ,Philips etc. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 ,2000